Summary

诱导小鼠角膜神经营养性角膜炎和神经再生的三种策略

Published: December 08, 2023
doi:

Summary

在这里,我们提出了三种不同的方法来破坏支配角膜的感觉纤维。这些方法有助于研究小鼠的轴突再生。这三种方法适用于其他动物模型,是研究角膜神经支配生理学和再生的理想方法。

Abstract

角膜是覆盖眼睛的透明组织,对于清晰的视力至关重要。它是体内神经支配最多的组织。这种神经支配为眼睛提供感觉和营养功能,并有助于保持角膜的完整性。这种神经支配的病理破坏称为神经营养性角膜炎。这可能是由眼睛受伤、手术或疾病引发的。在这项研究中,我们提出了三种不同的方案,以概括临床中常见的三种类型的病例的方式对神经支配造成损害。

第一种方法是用眼科毛刺磨损上皮。这涉及以类似于临床上进行的光折射性角膜切除术的方式切除上皮层、游离神经末梢和基底下神经丛。第二种方法仅针对神经支配,方法是用活检穿刺在外周切开神经支配,以保持上皮的完整性。这种方法类似于板层角膜移植术的第一步,导致神经支配退化,然后中央角膜中的轴突再生。最后一种方法使用多光子显微镜破坏转基因小鼠模型的神经支配,多光子显微镜特异性定位荧光神经纤维的烧灼位点。这种方法会造成与光性角膜炎相同的损害,即过度暴露在紫外线下。

本研究描述了研究角膜神经支配生理病理学的不同选择,特别是轴突的退化和再生。促进再生对于避免角膜上皮缺损甚至穿孔等并发症至关重要。所提出的模型可以帮助测试新的药理学分子或基因疗法,以增强神经再生并限制疾病进展。

Introduction

角膜是眼睛的透明表面,由三个不同的层组成:上皮、基质和内皮。该器官在体内具有最高的神经支配密度,主要由源自三叉神经节眼科分支的感觉纤维(Aδ 和 C 型)组成。感觉纤维以大束的形式穿透中基质中角膜的外围,这些束向外分支以覆盖表面。然后它们分叉以刺穿鲍曼膜并形成基底下丛,这很容易通过角膜中心形成的涡旋来识别。这些纤维终止于上皮外表面的游离神经末梢。它们能够转导热刺激、机械刺激和化学刺激,并释放对上皮稳态至关重要的营养因子 1,2。神经营养性角膜炎(NK)是一种影响角膜感觉神经支配的退行性疾病。这种罕见的疾病源于角膜敏感性的降低或丧失,导致角膜泪液分泌减少和愈合性能差3.NK 进展经历了三个明确描述的阶段,从患者出现上皮缺陷的第 1 阶段到发生基质融化和/或角膜穿孔的第 3 阶段4

在临床上,这种疾病的起源可能是多种多样的。患者在眼睛受到物理损伤、手术或慢性疾病(如糖尿病)后可能会失去角膜神经支配 5,6。迄今为止,NK的发病机制过程仍然知之甚少,这种威胁视力的疾病的治疗选择非常有限。因此,需要更好地了解上皮缺损的特征,以更好地了解这些纤维再生背后的机制并可能促进它们。在这里,我们提出了几种在小鼠中诱导NK的角膜损伤模型。

第一种模型是带有眼毛刺的角膜上皮层的磨损。该模型主要在不同动物(如啮齿动物和鱼类)的上皮再生的背景下进行研究 7,8,9测试促进角膜愈合的分子10,11。从生理上讲,上皮细胞需要 2-3 天才能闭合伤口。然而,神经支配的生理模式需要四个多星期才能从擦伤中恢复12,13。在手术过程中,眼毛刺会去除角膜的上皮层,该角膜上皮层包含基底下丛和纤维的游离神经末梢。该手术在临床上可以与光屈光性角膜切除术 (PRK) 患者进行比较,以矫正眼部屈光缺损。该过程包括去除角膜上皮,然后用激光重塑基质14.患者在此类手术后可能会出现多种副作用,例如角膜神经密度降低 2 年,敏感性降低持续 3 个月至 1 年15。鉴于手术会引起角膜微环境的脆弱性,该模型可以帮助研究这些副作用并开发治疗方法,以促进更快的神经再支配,从而减少所讨论的副作用。

第二种模型包括用活检打孔切开角膜外围的轴突,诱导中枢神经支配的沃勒变性 16。在临床上,这种方法可以与前板层角膜移植术进行比较,在前板层角膜移植术中,外科医生实现了角膜的部分环钻术,以去除角膜前部厚度的一部分,并用供体移植代替 17。板层角膜移植术后,患者可能会出现许多症状,包括干眼症、角膜神经支配丧失和移植物排斥反应18。这种对角膜神经进行的轴突切开术模型可以深入了解纤维变性的机制,纤维变性发生在移植物后,然后是轴突再生。

第三种方法是用激光损伤角膜神经。通过在麻醉动物的角膜上使用多光子显微镜,由于活性氧 (ROS) 的形成,诱导位于光场中的神经变性,从而导致 DNA 损伤和细胞空化19。这种方法概括了过度暴露于自然紫外线(晒伤)引起的角膜光损伤,这也触发了 ROS 的形成,导致 DNA 损伤20。患有角膜晒伤的患者会经历巨大的痛苦,因为上皮细胞的恶化剥夺了角膜纤维的四肢。

这里描述的三种方法旨在研究NK的发病机制过程和轴突再生。它们易于重复且精确。此外,它们可以快速恢复和轻松监控动物。

Protocol

所有实验均获得国家动物实验委员会的批准。 1. 准备工作 制备氯胺酮-甲苯噻嗪的麻醉溶液进行麻醉。通过将 200 μL 氯胺酮 (100 mg/mL) 和 125 μL 甲苯噻嗪 (20 mg/mL) 稀释在 2,175 mL 无菌 0.9% NaCl 中,注射 80 mg/kg 的氯胺酮和 10 mg/kg 的甲苯噻嗪。 通过将 100 μL 0.3 mg/mL 丁丙诺啡加入 1,400 mL 无菌 0.9% NaCl 中,制备 0.02 mg/mL 丁丙诺啡溶液作为镇痛溶液。…

Representative Results

本研究提出了几种对小鼠角膜神经支配造成损害的方案。虽然类似的方案已被用于研究上皮愈合的生理病理学,但我们选择适应和开发研究角膜神经支配再生的新方法。为了观察神经支配,我们使用了两种技术。首先,我们采用免疫荧光技术使用泛神经元抗体(BIII微管蛋白)对神经纤维进行染色,并用插层器对细胞核进行染色。其次,我们利用了在神经纤维中表达荧光蛋白的转基因小鼠品系。使…

Discussion

神经营养性角膜炎被认为是一种罕见疾病,每 10,000 人中就有 5 人受到影响。然而,由于化学烧伤等身体伤害或糖尿病或多发性硬化症等综合征而患有NK的人不包括在这些统计数据中3。此外,这种情况仍然严重不足22,并且该疾病的患病率被低估了。迫切需要新的治疗方法和疗法来促进轴突再生,作为保护患者视力的一种手段。目前,为NK早期阶段患者提供的唯?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

作者感谢Karine Loulier博士提供转基因小鼠系MAGIC-Markers。作者还感谢RAM-Neuro动物核心设施和成像设施MRI,这是法国国家研究机构支持的France-BioImaging国家基础设施的成员(ANR-10-INBS-04,“未来投资”)。这项研究得到了ATIP-Avenir计划,Inserm,Région Occitanie,蒙彼利埃大学,法国国家研究局(ANR-21-CE17-0061),医学研究基金会(FRM再生医学,REP202110014140)和Groupama基金会的支持。

Materials

0.2 µm seringe filter CLEARLINE 51733
0.5 mm rust ring remover Alger Equipment Company BU-5S
2 mL plastic tubes Eppendrof  30120094
Algerbrush burr, Complete instrument Alger Equipment Company BR2-5
Anti-beta III Tubulin antibody Abcam ab18207
Antigenfix Diapath P0016
Artificial tear Larmes artificielles Martinet N/A
Buprecare Animalcare N/A
Cotton swab Any provider N/A
Dissecting tools Fine Science Tools N/A
Fluorescein Merck 103887
Gelatin from cold water fish skin Sigma G7765
Goat serum Merck S26
Head Holder Narishige SGM 4
Heated plate BIOSEB LAB instruments BIO-HE002
Hoechst 33342 Thermo Fisher Scientific H3570
Imalgene 1000 BOEHRINGER INGELHEIM ANIMAL HEALTH France N/A French marketing authorization numbre: FR/V/0167433 4/1992
LAS X software Leica N/A Large volume computational clearing (LVCC) process
Laser Chameleon Ultra II Coherent N/A
Laser power meter Coherent N/A
Leica Thunder Imager Tissue microscope Leica N/A
Multi-photon Zeiss LSM 7MP upright microscope Zeiss N/A
Ocry-gel TVM lab N/A
Parametric oscillator Coherent N/A
Penlights with blue cobalt filtercap Bernell ALPEN
Petri dish Thermo Scientific 150318 Axotomy protocol
Petridish Thermo Scientific 150288 Cornea whole-mount processing
Rompun 2% Elanco N/A French marketing authorization numbre: FR/V/8146715 2/1980
Sterile biopsy punch 2.5 mm LCH medical LCH-PUK-25
Triton X-100 VWR 0694
Vectashield EuroBioSciences H-1000 Mounting medium

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Meneux, L., Caballero, A., Boukhaddaoui, H., Michon, F. Three Strategies to Induce Neurotrophic Keratitis and Nerve Regeneration in Murine Cornea. J. Vis. Exp. (202), e66182, doi:10.3791/66182 (2023).

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